CN111950182A - 一种提高大型复杂构件有限元计算效率的模型简化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高大型复杂构件有限元计算效率的模型简化方法,从有限元仿真基本流程出发,结合几何特征简化,热源模型加载方式简化以及热力耦合求解简化,能够实现网格数量大幅度降低,热源校核效率和总体有限元计算效率大幅度提升,为大型复杂构件焊接残余应力和变形仿真预测提供方法指导。
Description
技术领域
本发明具体涉及一种大型复杂构件的有限元模型简化方法,尤其针对轨道车辆类大型复杂构件焊接变形和残余应力有限元预测模型的简化。
背景技术
随着计算机技术的发展以及数值模拟理论的成熟,采用有限元方法对构件焊接过程进行数值模拟,成为预测焊接变形和残余应力,优化焊接工序,改进焊接工装的主要手段。常见的焊接变形和残余应力预测方法包括固有应变法和热弹塑性法两种,固有应变方法认为焊接变形主要由固有应变引起的,焊接固有应变包括塑性应变、温度应变以及相变应变。固有应变方法计算的核心固有应变值得计算和施加。传统热弹塑性方法是将焊接过程的热输入进行转化为等效热载荷加载于弹塑性计算中,最终获得焊接过程的温度场和应力应变场,在焊接模拟中占有重要的地位。采用热弹塑性有限元方法对构件焊接变形和残余应力进行计算一般步骤包括几何模型建立、网格划分、材料模型加载、焊缝及焊接路径定义、热源模型校核、热力边界条件加载、焊接工况定义、计算求解。固有应变法计算效率远高于热弹塑性法,但因其简化条件过多,精度较低,导致很多专家学者更偏好于热弹塑性法。然而,对于大型复杂构件,其焊缝繁多,且结构尺寸达到几米,甚至几十米,采用常规的热弹塑性方法对其进行焊接变形和残余应力预测,不仅建模过程繁琐,而且计算周期漫长(多达数月)且结果极易不收敛,使其焊接变形和残余应力的预测受到了极大限制。
现有技术中,中车青岛四方机车车辆股份有限公司发明了采用局部结构模拟结果映射到目标结构整体模型的大型结构快速数值模拟方法(申请号:CN201810646032.7),该方法简化了焊接数值模拟计算量,提高了整体模拟效率。清华大学发明了以温度为控制变量的焊接数值模拟计算方法(申请号:CN200910085488.1),其可应用于焊缝长度大,数量多的焊接结构中。然而,这些技术方法计算效率改善程度有限,并且易导致计算精度的降低,应用于类似于轨道车辆大型复杂底架结构具有应得局限性。
本发明从有限元仿真流程出发,提出一种新的改善有限元计算效率的模型简化方法,对提高建模效率,降低计算时间,改善计算精度具有重要价值。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足,提供了一种提高大型复杂构件有限元计算效率的模型简化方法,解决了现有技术中的计算效率低、建模难的技术问题。
为解决上述技术问题,本发明提供了一种提高大型复杂构件有限元计算效率的模型简化方法,其特征是,包括以下过程:
对大型复杂构件对应接头进行焊接,获得相应的焊接构件;
依据焊接构件几何特征构建焊接构件模型;
对焊接构件模型进行网格划分;
将多层多道焊缝整体化为单层单道焊缝;
采用双椭球热源模型作为热源加载方式;
改变热力耦合频率;
优化焊接构件模型仿真的时间步长。
进一步的,所述依据焊接构件几何特征构建焊接构件模型,包括:
若焊接构件几何对称,则取最小结构对称部分进行构建焊接构建模型。
进一步的,构建焊接构件模型后,还包括:
清理远离焊缝位置的特征结构,并将特征结构的圆角面或直角边修改为直角面或直角边。
进一步的,所述对焊接构件模型进行网格划分,包括:
采用网格过渡策略进行网格划分。
进一步的,所述采用网格过渡策略进行网格划分,包括:
采用单向拉伸和按比例过渡并行的方式进行网格划分,其中,单向拉伸的拉伸比例保证在2以内,按比例过渡则满足:
公式一:L=2m+2n+2x
公式二:L=3*2m+3*2n+3*2x
其中,公式一为1:2过渡控制方程,公式二为1:3过渡控制方程,式中,L为几何过渡边的长度,将L按2或3乘以2的最高次幂进行分段,m,n,x为每一段2的最高指数。
进一步的,所述网格为四面体网格。
进一步的,所述双椭球热源模型为:
公式三、公式四分别为前后半椭球的热输入,b、c分别为对应半球的宽度和深度,af、ar分别表示双椭球前、后半轴长,ff、fr为前、后半椭球的能量分配系数,满足条件:
公式五:fr+ff=2。
进一步的,所述改变热力耦合频率,包括:
在温度场完成一个时间步的计算后,应力场值继承上一时间步的结果,直到温度场完成设定频率步数计算后,应力场才开始迭代更新。
进一步的,所述优化焊接构件模型仿真的时间步长,包括:
采用自适应网格技术细化焊缝及其附近网格单元,增加网格的顶点数量,以优化焊接构件模型仿真的时间步长。
与现有技术相比,本发明所达到的有益效果是:
(1)可以使结构易于进行网格划分,并且大幅度降低网格数量;
(2)避免了热源校核过程以及电弧方向对熔池能量分布的影响,提高了有限元建模效率;
(3)通过等效焊道数量,改变热力耦合频率,协调热源尺寸参数和时间步长关系,大大提高了有限元计算效率,节省计算时间。
附图说明
图1为大型复杂构件有限元模型简化流程图;
图2为1:3网格过渡控制示意图;
图3为焊道整体化示意图;
图4为双椭球热源模型图;
图5为热力异步耦合流程图;
图6为底架几何模型图;
图7为底架网格模型简化结果;
图8为底架焊接变形分布云图;
图9为底架残余应力分布云图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案,而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明的一种提高大型复杂构件有限元计算效率的模型简化方法,从有限元仿真基本流程出发,结合几何特征简化,热源模型加载方式简化以及热力耦合求解简化,能够实现网格数量大幅度降低,热源校核效率和总体有限元计算效率大幅度提升,为大型复杂构件焊接残余应力和变形仿真预测提供方法指导。
主要流程如图1所示。本发明通过以下步骤实现:
步骤一:对大型复杂构件对应接头进行标准化焊接试验获得对应的焊接构件,并获取焊缝的熔宽、熔深特征。
步骤二:简化焊接构件几何特征,优化网格划分策略,降低网格数量:
(1)判定焊接构件几何对称性,若对称,则取最小结构对称部分(如1/2、1/4结构)进行建模(在CAD软件中建模);获得焊接构件模型。
(2)清理远离焊缝位置的特征结构(如孔、槽、筋、凸台等),并将特征结构的圆角面或直角边修改为直角面或直角边,使网格易划分且质量较好。
(3)测量板材或型材厚度,以最小厚度作为焊缝处网格尺寸(基准网格尺寸),并结合实际几何尺寸,进行网格数量评估,如果网格数量在预期范围(经验值)以内,可选择此厚度作为基准网格尺寸,若超出预期范围,则根据超出程度进行基准网格尺寸的调整。
(4)采用网格过渡策略进行网格划分,网格类型选择四面体网格。为保证构件各分组件之间网格的连续性,采用单向拉伸和按比例过渡并行的方式进行网格数量的控制。其中,单向拉伸即单元只有一个方向的尺寸发生改变,另外两个方向保持不变,拉伸比例保证在2以内。按比例过渡则满足:
公式一:L=2m+2n+2x
公式二:L=3*2m+3*2n+3*2x
其中,公式一为1:2过渡控制方程,公式二为1:3过渡控制方程,式中,L为几何过渡边的长度,将L按2或3乘以2的最高次幂进行分段,m,n,x为每一段2的最高指数,如图2所示,为1:3网格过渡示意图。
步骤三:等效焊道数量,简化热源加载方式,提高热源校核效率:
(1)若实际焊缝为多层多道,则将多层多道焊缝整体化为单层单道焊缝,即将多层焊道每层宽高、熔宽、熔深叠加起来,作为单层的长宽高、熔宽、熔深。并定义焊缝单元,如图3所示;
(2)采用生死单元技术仿真焊缝金属的沉积过程,焊缝金属的激活过程(热源加载方式)采用双椭球热源模型,如图4所示,其热流密度数学模型为:
公式三、公式四分别为前后半椭球的热输入,b、c分别为对应半球的宽度和深度,af、ar分别表示双椭球前、后半轴长,ff、fr为前、后半椭球的能量分配系数,满足条件:
公式五:fr+ff=2
双椭球热源模型中几何参数b、c选择时,保证焊缝熔池截面单元刚好落入双椭球体的最大横向截面内,一般b、c取步骤一所获取得熔池的半宽和熔深即可。af、ar选择时则依赖于焊接速度v与时间步长Δt,满足:af+ar≥vΔt,同时为了保证熔池形貌的真实性,建议:af+ar≤4b。
(3)对于激活的单元,赋以温度T,其满足:
公式六:T=αTm
其中,Tm为焊缝材料熔点,α为温度修正系数。先对α设初值,通过计算获得熔池尺寸,与步骤一所获熔池形貌进行对比,确定α真实值,若模拟熔池截面大于试验熔池截面,则减小α值,反之则增大其值。
步骤四:简化热力耦合方式,节省热力耦合时间。
在模型步骤二和步骤三简化的基础上,进一步改变热力耦合频率,实现多步热过程计算对应一步结构力学计算,即在温度场完成一个时间步的计算后,应力场值并不开始更新计算,而是继承上一时间步的结果,直到温度场完成设定频率步数计算后,应力场才开始迭代更新,其计算流程如图5所示。
步骤五:采用自适应网格技术细化步骤二所建立的焊缝及其附近网格单元,增加网格的顶点数量,并结合焊缝长度、焊接速度,优化焊接构件模型仿真求解时的时间步长。
通过增加时间步长,减少计算步数,可提高计算效率,但时间步长不应过大,需满足步骤三中热源模型几何参数cf、cr的约束条件,即νΔt≤4a。
本发明可以使结构易于进行网格划分,并且大幅度降低网格数量;避免了热源校核过程以及电弧方向对熔池能量分布的影响,提高了有限元建模效率;通过等效焊道数量,改变热力耦合频率,协调热源尺寸参数和时间步长关系,大大提高了有限元计算效率,节省计算时间。
实施案例
下面以轨道车辆大型复杂构件底架结构焊接过程有限元建模为例对本发明的简化方法进行详细说明。
底架结构的几何模型如图6所示,尺寸大小为18990mm*2781mm*336mm,包含牵引梁、枕梁、缓冲梁、边梁、地板和端梁等部件,涉及大小焊缝约250条,型材牌号为Al6005A,板材为6082-T6,填充金属为5356,焊接方法均采用熔化极气体保护焊。
步骤a:对底架包含的37种典型焊接接头进行标准化焊接试验,切割、打磨、抛光并拍摄金相照片,获取焊接熔池熔深和熔宽等形貌特征参数;
步骤b:考虑底架结构是对称结构,取1/4结构进行网格划分。划分前,先清理几何模型中的孔、筋,凸台、垫板等,并将倒角曲面修补为直角面。随后测量模型中型材厚度和板材厚度,最小厚度为6mm,并以此作为焊缝位置网格尺寸预估网格数量超过一百万,于是进行网格尺寸调整,最终焊缝位置的网格尺寸为10mm。对于焊缝以外的位置,采用单向拉伸过渡和按比例过渡并行的方式进行网格划分,如图7所示,最终总的网格数量为635627;
步骤c:将底架所有焊缝均等效为一道焊,并对其进行单元属性定义。采用双椭球热源模型进行焊缝单元的激活,将步骤a获得的焊缝熔池半宽和熔深作为其所施加热源模型的b值和c值,af、ar由每条焊缝的焊接速度和时间步长决定。通过对比分析试验与模拟熔池尺寸,确定温度修正系数α,完成对激活的焊缝单元温度的赋值;
步骤d:简化热力耦合方式,将热力耦合频率设置为2,即每两步热过程计算对应一步力学计算。热力耦合频率越大,计算效率越高,但计算精度也进一步下降,因此推荐热力耦合频率值不超过10;
步骤e:为焊缝及附近网格添加自动细化属性,并结合步骤c热源参数的约束条件在一定范围内增大时间步长,底架结构最终的平均时间步长在1-2之间。
步骤f:定义材料属性,热力边界条件等,并采用并行计算技术进行求解计算,最终完成计算消耗时间为126.4h,计算得到的焊接变形和残余应力分布如图8、图9所示。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变型,这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种提高大型复杂构件有限元计算效率的模型简化方法,其特征是,包括以下过程:
对大型复杂构件对应接头进行焊接,获得相应的焊接构件;
依据焊接构件几何特征构建焊接构件模型;
对焊接构件模型进行网格划分;
将多层多道焊缝整体化为单层单道焊缝;
采用双椭球热源模型作为热源加载方式;
改变热力耦合频率;
优化焊接构件模型仿真的时间步长。
2.根据其权利要求1所述的一种提高大型复杂构件有限元计算效率的模型简化方法,其特征是,所述依据焊接构件几何特征构建焊接构件模型,包括:
若焊接构件几何对称,则取最小结构对称部分进行构建焊接构建模型。
3.根据其权利要求1所述的一种提高大型复杂构件有限元计算效率的模型简化方法,其特征是,构建焊接构件模型后,还包括:
清理远离焊缝位置的特征结构,并将特征结构的圆角面或直角边修改为直角面或直角边。
4.根据其权利要求1所述的一种提高大型复杂构件有限元计算效率的模型简化方法,其特征是,所述对焊接构件模型进行网格划分,包括:
采用网格过渡策略进行网格划分。
5.根据其权利要求4所述的一种提高大型复杂构件有限元计算效率的模型简化方法,其特征是,所述采用网格过渡策略进行网格划分,包括:
采用单向拉伸和按比例过渡并行的方式进行网格划分,其中,单向拉伸的拉伸比例保证在2以内,按比例过渡则满足:
公式一:L=2m+2n+2x
公式二:L=3*2m+3*2n+3*2x
其中,公式一为1:2过渡控制方程,公式二为1:3过渡控制方程,式中,L为几何过渡边的长度,将L按2或3乘以2的最高次幂进行分段,m,n,x为每一段2的最高指数。
6.根据其权利要求1所述的一种提高大型复杂构件有限元计算效率的模型简化方法,其特征是,所述网格为四面体网格。
8.根据其权利要求1所述的一种提高大型复杂构件有限元计算效率的模型简化方法,其特征是,所述改变热力耦合频率,包括:
在温度场完成一个时间步的计算后,应力场值继承上一时间步的结果,直到温度场完成设定频率步数计算后,应力场才开始迭代更新。
9.根据其权利要求1所述的一种提高大型复杂构件有限元计算效率的模型简化方法,其特征是,所述优化焊接构件模型仿真的时间步长,包括:
采用自适应网格技术细化焊缝及其附近网格单元,增加网格的顶点数量,以优化焊接构件模型仿真的时间步长。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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